基于激光雷达的森林高度反演
ICESat-GLAS激光天顶角对反演森林冠层高度的影响
ICESat-GLAS激光天顶角对反演森林冠层高度的影响张蓉鑫;邢艳秋;张新伟;丁建华;蔡龙涛【摘要】为了量化激光天顶角对ICESat-GLAS波形数据反演森林冠层高度的影响,以吉林省汪清林业局经营区为例,基于ICESat-GLAS波形数据及DEM数据,在Allouis模型和Nie模型基础上,分别引入激光天顶角,对光斑内坡度引起的高度距离(GroundExtent)进行修正,建立森林冠层高度估测模型,并通过模型对坡度的校正能力、天顶角引起的GroundExtent理论误差以及大气延迟增量三个方面讨论分析天顶角在反演森林冠层高度中的影响.结果表明:天顶角的引入能够提高模型的估测精度,决定系数(R2)分别提高了6.56％、4.26％,且能更好地校正地形坡度;在外部条件相同的情况下,由天顶角(<1°)引起的GroundExtent理论误差在0.122～1.100 m范围内;在天顶延迟约为2.3 m时,天顶角(<1°)对大气延迟增量的影响为0.04～3.50 mm.由此可知天顶角对估测森林冠层高度存在一定的影响,引入激光天顶角的冠层估测模型能更准确地反演森林冠层高度.【期刊名称】《中南林业科技大学学报》【年(卷),期】2018(038)009【总页数】8页(P26-33)【关键词】ICESat-GLAS;激光天顶角;GroundExtent;森林冠层高度【作者】张蓉鑫;邢艳秋;张新伟;丁建华;蔡龙涛【作者单位】东北林业大学森林作业与环境研究中心,黑龙江哈尔滨 150040;东北林业大学森林作业与环境研究中心,黑龙江哈尔滨 150040;北京空间飞行器总体设计部,北京 100094;东北林业大学森林作业与环境研究中心,黑龙江哈尔滨 150040;东北林业大学森林作业与环境研究中心,黑龙江哈尔滨 150040【正文语种】中文【中图分类】S771森林生态系统作为整个陆地生态系统组成的主体，在涵养水源、保持水土、维持全球气候稳定、调节碳平衡等方面均起着不可替代的作用[1]。
如何使用LIDAR技术进行森林测量
如何使用LIDAR技术进行森林测量LIDAR（Light Detection and Ranging）技术是一种基于激光的遥感测量技术，近年来在森林测量领域得到了广泛应用。
它通过激光束在森林区域内进行扫描，根据反射信号的时间和强度来获取地表的三维信息，从而实现对森林结构、生物多样性和碳储量等重要参数的测量和估计。
在本文中，我们将探讨如何使用LIDAR技术进行森林测量。
首先，LIDAR技术可以用于森林高度的测量。
传统的森林高度测量方法通常依赖于地面测量和人工观测，费时费力且误差较大。
而LIDAR技术能够通过激光束的扫描快速获取森林区域内各个点的高程值，从而准确地反映森林的高度分布情况。
这为森林管理者提供了更准确的数据基础，可用于制定更科学的森林保护和利用方案。
其次，LIDAR技术还可以实现森林密度的测量。
森林密度是衡量森林生态系统的重要指标之一。
传统的森林密度测量方法通常基于地面测量和样地调查，需要大量的人力和时间成本，并且仅能对有限区域进行测量。
而LIDAR技术能够通过对激光束的扫描，获取森林内各个点的反射强度信息，进而推算出该区域的植被密度。
这使得森林密度的测量变得高效准确，为森林资源的管理和保护提供了更可靠的依据。
此外，LIDAR技术还可以用于森林结构的测量和分析。
森林结构包括了森林的树种组成、径级分布、空间分布等多个方面，它们对森林的生态功能和生物多样性有着重要的影响。
传统的森林结构研究主要依赖于野外样地调查和林地清查，耗时耗力且结果容易受到主观因素的干扰。
而LIDAR技术通过高精度的地形、高程和密度数据，为森林结构的测量和分析提供了有效的手段。
通过对LIDAR数据的处理与分析，我们可以获取到各种森林结构指标，如平均树高、密度分布和分层结构等，从而为森林生态系统的研究和管理提供了科学依据。
此外，LIDAR技术还可以应用于森林碳储量的估算。
森林的碳储量是全球碳循环的重要组成部分，也是衡量森林生态系统服务功能的重要指标之一。
lidar森林生物量反演技术流程
lidar森林生物量反演技术流程lidar森林生物量反演技术流程是一项重要的技术，它可以通过激光遥感技术精确测量森林的生物量，并提供有关森林生态系统的关键信息。
下面将为大家介绍lidar森林生物量反演技术的流程。
lidar森林生物量反演技术的第一步是数据采集。
这项技术需要使用激光雷达设备，通过发射激光束并记录激光束反射回来的时间来测量植被的高度和结构。
激光束的反射时间和强度可以提供关于植被的三维信息，包括树木的高度、枝叶的密度和树冠的形状等。
接下来，采集到的激光雷达数据需要进行预处理。
这一步主要包括去除噪声、校正数据和对数据进行滤波处理。
噪声的存在会影响数据的准确性，因此需要对数据进行噪声滤波处理，以提高数据的质量。
在数据预处理完成后，就可以进行特征提取。
特征提取是lidar森林生物量反演技术的核心步骤，它包括从激光雷达数据中提取与生物量相关的特征。
这些特征可以包括树木高度、树冠覆盖率、枝叶密度等。
通过分析这些特征，可以得到与森林生物量相关的信息。
然后，需要建立生物量模型。
生物量模型是通过统计分析和机器学习等方法建立的，它将特征与实际的生物量数据进行关联。
通过生物量模型，可以根据特征的值来预测森林的生物量。
建立准确可靠的生物量模型是确保lidar森林生物量反演技术的精度和可靠性的关键。
进行生物量反演。
在这一步中，利用建立好的生物量模型，将特征值输入模型中，即可得到森林的生物量估计结果。
这些估计结果可以用来评估森林的生态系统状况、监测森林的生长过程，并为森林管理和保护提供科学依据。
lidar森林生物量反演技术的流程包括数据采集、数据预处理、特征提取、生物量模型建立和生物量反演等步骤。
这项技术通过精确测量森林的生物量，为森林管理和保护提供了重要的支持，对于认识和保护森林生态系统具有重要意义。
基于LIDAR数据的森林资源调查方法
基于LIDAR数据的森林资源调查方法基于LIDAR数据的森林资源调查方法：探索未来的可持续林业管理在现代林业管理中，准确获取并分析森林资源信息对于保护生态环境、合理利用森林资源至关重要。
传统的森林资源调查方法依赖于地面实地勘察和空中遥感技术，但这些方法耗时耗力且受到地形、植被遮挡等因素的限制。
然而，基于光电雷达（LIDAR）技术的森林资源调查方法正在逐渐成为林业管理的首选方案，因为它具备高精度、高效性、高空间分辨率等特点。
一、LIDAR技术的原理与应用LIDAR（Light Detection and Ranging）是一种利用激光测距原理进行精确测量的技术。
传感器发射短脉冲激光，然后通过计算目标反射回来的激光信号的时间差来确定距离。
由于LIDAR数据具有高分辨率和高垂直精度的特点，因此可以提供精确的地形、地貌以及植被结构信息。
基于LIDAR数据的森林资源调查方法在林业管理中得到了广泛应用。
通过处理激光返回信号，可以获取地面高程、植被高度、地上森林构成、树木结构等信息。
这些信息对于森林生态系统监测、林火风险评估、树种分类和森林蓄积量估算等都是非常有用的。
二、LIDAR技术在森林资源调查中的优势1. 提高调查效率：LIDAR技术可以在短时间内获取大范围的数据，相比传统的实地调查方法可以大大提高调查效率。
2. 增加数据精度：LIDAR技术可以提供三维立体的植被结构信息，包括树木高度、树冠形状等，相比传统空中遥感技术可以提供更为精确的数据。
3. 克服地形限制：由于LIDAR技术不受地形限制，可以精确测量山地、河流、湿地等地形复杂区域的植被信息，扩大了森林资源调查的范围。
4. 支持决策制定：基于LIDAR数据的分析结果可以用于制定更加科学和精确的森林管理方案，提高林业经济效益和生态效益。
三、基于LIDAR数据的森林资源调查方法实践案例LIDAR技术在森林资源调查中已经取得了显著的成果。
以加拿大阿尔伯塔省为例，该地区利用LIDAR技术进行了大规模的森林资源调查和监测工作。
基于序贯高斯条件模拟的GEDI数据联合Landsat8反演森林地上生物量
基于序贯高斯条件模拟的GEDI数据联合Landsat8反演森林地上生物量罗绍龙;舒清态;余金格;胥丽;杨正道【期刊名称】《林业科学研究》【年(卷),期】2024(37)3【摘要】[目的]单一遥感技术估测森林生物量存在较大局限性,本研究旨在利用多源遥感协同技术互补激光雷达和光学遥感的优势,提高生物量估测精度。
[方法]以星载激光雷达GEDI和光学遥感Landsat8数据为主要信息源,采用序贯高斯条件模拟方法实现GEDI光斑数据由“点”到“面”的空间扩展,结合地面138块生物量调查样地,利用随机森林回归方法估测云南省香格里拉云冷杉林的地上生物量。
[结果](1)采用序贯高斯条件模拟方法对GEDI光斑点进行空间插值,模拟的12个生物物理指标在空间分布上呈现出随机性、破碎化的特征,这与森林的空间分布聚集性非常相似,参与建模的9个指标OEC均大于0.90;(2)利用单一Landsat8光学遥感数据和地形因子构建的随机森林模型精度为:R2=0.82,RMSE=35.51 t·hm^(-2),P=0.77;Landsat8数据协同星载激光雷达GEDI数据构建的随机森林模型精度为:R2=0.86,RMSE=32.11 t·hm^(-2),P=0.80,模型精度明显提升;(3)利用多源遥感技术估测的香格里拉2019年云冷杉林地上的生物量总量为37 042 605.68 t,平均生物量为123.28 t·h m^(-2)。
[结论]基于地统计学的序贯高斯条件模拟方法考虑到研究对象的空间异质性、能克服一定的平滑效应,用于实现激光点由“点”到“面”的空间扩展是可行的。
星载激光雷达GEDI与光学遥感Landsat8协同的多源遥感数据可有效填补单一遥感数据源的缺陷,提高森林生物量的估测精度,能为激光雷达联合光学遥感估测大范围、全覆盖的森林生物量提供参考。
【总页数】12页(P49-60)【作者】罗绍龙;舒清态;余金格;胥丽;杨正道【作者单位】西南林业大学林学院【正文语种】中文【中图分类】X87;S757.2【相关文献】1.联合多点地质统计学与序贯高斯模拟的随机反演方法2.基于Landsat8影像的汝城县森林地上生物量遥感估算研究3.GEDI不同算法组数据反演森林最大冠层高度和生物量精度比较4.联合光学和合成孔径雷达数据的太平湖森林地上生物量反演研究5.深度学习方法下GEDI数据的天然云杉林地上生物量反演因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于LIDAR技术的森林测绘方法与应用
基于LIDAR技术的森林测绘方法与应用一、引言森林在地球上占据着重要的地位，对环境、气候等方面都有着重要影响。
因此，对森林进行准确测绘和监测非常重要。
传统的森林测绘方法存在一些缺陷，如成本高、耗时长等。
而基于LIDAR（激光雷达）技术的森林测绘方法成为了一种较为有效的替代方案。
二、LIDAR技术简介LIDAR技术是一种利用激光脉冲进行三维测量的方法。
它通过发射激光脉冲并记录返回的反射信号的时间和强度来实现对物体的测量。
与传统的光学遥感相比，LIDAR技术能够得到更高分辨率和更准确的数据。
三、LIDAR技术在森林测绘中的应用1. 高精度的数字高程模型（DEM）生成LIDAR技术可以快速获取地面和树冠的高度信息，通过处理激光脉冲与地面和树冠之间的反射关系，可以生成高精度的DEM。
这对于森林生态系统的研究以及土地规划和资源管理等方面都具有重要意义。
2. 森林结构参数提取借助LIDAR技术，可以获取树木的尺寸、数量和位置等信息。
利用激光脉冲与树木之间的交互作用，可以对树冠和树干进行三维重建，实现对森林结构的定量描述。
这对于森林管理、生物多样性评估等具有重要价值。
3. 森林生态系统监测LIDAR技术可以对森林生态系统进行动态监测。
通过不同时间段的LIDAR数据采集和对比分析，可以观测到森林的变化和演替过程。
这对于生物地理学、生态学等研究领域都具有重要意义。
四、基于LIDAR技术的森林测绘方法1. 数据采集与处理LIDAR技术需要使用激光雷达设备对目标进行扫描，获取激光点云数据。
然后，通过对激光点云进行预处理、滤波和配准等步骤，得到准确可靠的数据。
这些数据还需要进行分类和分割，以区分地面和树冠等部分。
2. DEM生成与森林结构参数提取通过对激光点云进行处理，可以生成高精度的DEM。
利用DEM和激光点云数据，可以提取出森林结构参数，如树木高度、覆盖度、树冠积极和树木密度等信息。
这些参数对于森林生态系统的研究和保护具有重要价值。
采用机载激光雷达进行森林资源调查的方法与技巧
采用机载激光雷达进行森林资源调查的方法与技巧随着科技的不断进步，机载激光雷达技术被广泛应用于森林资源调查中。
采用机载激光雷达进行森林资源调查可以提高效率，准确获取大量的数据并进行分析，为科学合理地利用森林资源提供可靠的依据。
本文将介绍机载激光雷达的基本原理，以及在森林资源调查中的应用方法与技巧。
一、机载激光雷达的基本原理机载激光雷达是一种通过发射激光束并测量其反射回波时间来获取地面表面高程和三维信息的技术。
其基本原理是利用激光束在空气中迅速传播，当遇到地面或其他表面时，一部分能量被反射回来。
通过测量激光束的传播时间，可以得到地面到激光雷达的距离。
结合激光雷达平台的精确定位信息，可以得到地表高程和表面形态等地理信息。
机载激光雷达可以实现高密度、高精度的地表三维测绘，为森林资源调查提供了强有力的工具。
二、机载激光雷达在森林资源调查中的应用方法1. 森林生物多样性调查机载激光雷达能够精确测量森林地表高程和结构，通过与卫星遥感数据及地理信息系统（GIS）相结合，可以获取大范围的森林生物多样性信息。
例如，可以通过激光雷达获取的树冠高度数据来估计森林垂直结构，进而研究不同高度层的物种组成和分布情况。
这对于了解森林生态系统的演替过程、评估生物多样性的变化以及制定有效的保护措施具有重要的意义。
2. 森林碳储量估算森林是地球上最重要的碳汇之一，了解森林的碳储量对于全球碳循环研究和应对气候变化具有重要意义。
机载激光雷达可以通过测量树木的高度和体积，估算森林的生物量，并据此计算森林的碳储量。
相较于传统的人工调查方法，机载激光雷达可以大大提高调查的效率和准确性，并且可以获取大面积的数据进行综合分析。
3. 森林火灾监测火灾是林业生产中的常见灾害，及早发现和控制火源对于减少损失至关重要。
机载激光雷达可以通过高精度的三维建模，实时监测森林的火情。
激光雷达可以快速获取受火灾影响的森林地区的高程、坡度和地形等信息，结合光学遥感影像和温度数据，可以精确识别和定位火源，指导灭火工作。
ICESat-2ATLAS数据反演林下地形精度验证
第49卷第11期Vol.49No.ll红外与激光工程I n f r a r e d a n d L a s e r E n g i n e e r i n g2020年11月Nov.2020 ICESat-2/ATLA S数据反演林下地形精度验证黄佳鹏卩邢艳秋\秦磊\夏婷婷2(1.东北林业大学森林作业与环境研究中心，黑龙江哈尔滨15000;2.东北林业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨150000)摘要：针对星栽激光雷达数据反演林下数字地面模型（Digital T e r r a i n M o d e l, D T M)存在困难的问 题，研究了冰云陆地高程卫星-2 (Ice, C l o u d, a n d land E l e v a t i o n Satellite, I C E S a t-2)/先进地形激光高度计系统（A d v a n c e d O p o g r a p h i c L a s e r A l t i m e t e r S y s t e m,A T L A S)的强弱光束数据反演林下地形的精度，并探究了冠层高度及植被覆盖率对于I C E S a t-2/A T L A S反演林下D T M精度的影响3研究结果表明：强波束反演林下D T M的精度为/?2=l，m S£=0.74 m，弱波束反演林下D T M的精度为/?2=1,胃5£=0.76 m,强波束相对弱波束表现出更优的反演精度，但是，强光束与弱光束的光子云数据均可为反演林下D T M提供科学数据。
从研究区植被的整体情况来看，随冠层高度及植被覆盖率的增加，不同激光类型数据均出现误差逐步增加的情况。
关键词：I C E S a t-2/A T L A S;强波束；弱波束；林下数字地面模型；冠层高度中图分类号：S75文献标志码：A DOI：10.3788/I R L A20200237Accuracy verification of terrain under forest estimatedfrom ICESat-2/ATLAS dataH u a n g J i a p e n g1, X i n g Y a n q i u1, Q i n L e i1, X i a Tingting2(1. Centre for Forest Operations and Environment, Northeast Forestry University, Harbin 150000, China;2. College of Mechanical and Eletrical Engineering, Northeast Forestry University, Harbin 150000, China)Abstract:In v i e w o f the difficulties in retrieving Digital Terrain M o d e l (D T M) w i t h the s p a c e b o m e lidar data,the terrain elevation estimation a c c u r a c y o f Ice, Cloud, a n d land Elevation Satellite-2 (I C E S a t-2)/A d v a n c e d Terrain A d v a n c e d topographic laser altimeter s y s t e m (A T L A S) strong a n d w e a k b e a m data u n der the forest w a s studied, a n d the effect o f c a n o p y height a n d vegetation c o v e r a g e o n I C E S a t-2/A T L A S estimation a c c uracy o fD T M w a s explored. T h e results s h o w that the a c c uracy o f D T M u n d e r the forest w ith strong b e a m estimationa c c u r a c y is /?2=1, R M S E=0.1^m,a n d that with w e a kb e a m estimation ac c u r a c y is R2=\,R M S E=0J6 m.T h ep e r f o r m a n c e o f the strong b e a m estimation a c c u r a c y p e r f o r m e d better than that o f the w e a k b e a m, but both thep h o t o n c l oud data o f the strong b e a m a n d the w e a k b e a m c a n p r o v i d e scientific data for estimating the D T Mu n d e r the forest. In the study area, with the increase o f the c a n o p y height a n d vegetation coverage, the error o f收稿日期:2020-06-09;修订日期:2020-07-10基金项目••国家重点研发计划（2017YFD060090402);中央高校基本科研业务费专项资金项目（2572019AB18);卫星测绘技术与应用国家测 绘地理信息局重点实验室项目（KLSMTA-201706)作者简介:黄佳鹏（1993-)，男，博士生，主要从事星载激光雷达理论和应用方面的研究。
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激光雷达用于森林高度反演
– 其测距基本原理可表示为 – 即通过处理每个脉冲返回传感器哦的时间，解
算传感器和地面不同表面之间的距离。 – 用于林业的激光雷达主要有2类：记录完整波
形数据的大光斑雷达与仅记录少量回波的小光 斑激光雷达。前者主要通过回波波形用于反演 大范围森林的垂直结构与生物量，后者利用高 密度的激光点云进行精确的单木水平上的高度 估测等工作。
研究森林植被高度的背景及需求
• 例如，它可以反映出森林破坏速度是在减 缓还是增快。 但是对于另一些疑问它却无 能为力，比如，哪些森林吸收了燃烧矿物 燃料所释放的大部分二氧化碳。因为科学 家需要了解森林的生物总量信息，这时就 需要同时了解森林分布和树木高度的数据。
研究森林植被高度的背景及需求
• 而对于传统的森林冠层高度获取方法不仅 成本高，且费时费力，作为一种主动式遥 感技术手段，激光雷达（LiDAR）系统在反 演森林冠层高度方面具有很大的优势及潜 力，能够快速准确地获取林地数字高程模 型和森林高度信息。
小光斑激光雷达森林回波点云示意图
激光雷达用于森林高度反演
• 树高的提取方法与DTM和DSM的生成紧密相关， 两者查分而生成的nDSM(normalized Digital Surface Model)上的高度即第五绝对高度，是树 高提取的直接依据。激光点云数据树高反演处理
的激光雷达用于森林高度反演
• LiDAR反演树高原理
– LiDAR的回波信号是从能量超过某一给定噪声 阈值开始以一定的时间间隔进行记录的，离散 回波的LiDAR系统仅记录超过某一阈值的几个 回波或一个回波。因此，对小光斑离散回波的 LiDAR系统而言，树高是来自树顶的回波与来 自地面回波高程的差。由于小光斑激光雷达的 光斑尺寸小于林木冠幅，小光斑离散回波的激 光雷达仅能对树冠的一部分进行感应。因此， 小光斑激光雷达数据是对林分的一个高密度采 样数据集，表现为高密度的林分激光点云。
基于激光雷达的森林高度反演
10-6 闫敏
摘要幻灯片
• 研究森林植被高度的背景及需求 • 激光雷达用于森林高度反演 • 国内外研究现状 • 激光雷达反演树高的局限性
研究森林植被高度的背景及需求
• 森林高度图可以帮助科学家们了解人类 燃烧化石燃料所释放的二氧化碳，有多 少被全球的树木吸收贮存起来。数十年 来，科学家已经通过卫星图像，绘制了 全球森林的地域分布地图。森林的地域 分布地图非常有用，解决了众多科学问 题。
–王永平对现有的数据滤波方法进行了分析和比 较，并提出了一种适用于森林地区LiDAR数据滤 波的算法，该方法能在中等复杂地形的林区有 效剔除粗差点、确定数目点云，并使用德国数 据进行了想关实验和分析，最终提取了森林试 验区得数字高程模型和平均树高。
国内外研究现状
• 国内研究进展
–周淑芳将LiDAR数据和与其同步获取的高分辨 率数目影像为数据源，进行了高精度的单水平 方向信息及树高信息的提取。赵峰采用植被激 光点云数据在不同高度处的分位数作为统计变 量，建立于林分平均高的关系，进行林分平均 高反演，以树冠高模型和影像分割结果为基础 进行了单木树高反演
国内外研究现状
• 国外研究进展
–Nisson等通过计算冠顶和地面回波之间的距离计算了 树高，精度达90%以上。
– 马里兰大学地理系Dubayah等人与NASA-GSFC合作提 出了星载植被激光雷达系统计划，该计划的机载实验 系统在美国、加拿大、澳大利亚等多个国家进行了成 功的实验，发展了森林激光雷达回波波形处理的方法 并进行了验证。
–Lefsky等人对多种先进的遥感数据进行了比较研究， 包括多时相TM数据、高空间分辨率的机载ADAR数据、 机载高光谱AVIRIS数据和机载激光雷达SLICER数据， 结果表明激光雷达数据反演出的数目结构参数精度最 高并指出尽管目前激光雷达只有采样数据，但与其他 影像数据结合使用将大大提高林业遥感的精度，近来 随着星载激光雷达系统的实施，必能取得更广泛的应 用。
国内外研究现状
• 国外研究进展
– Kenton Todd等对小光斑LiDAR数据计算树高进 行了研究，通过剔除首次回波中的噪声点而提 取出数字表面模型，然后通过DSM减去而得到 了平均树高。
国内外研究现状
• 国内研究进展
– 庞勇等人利用较低密度的点云数据，使用分位 数法对林分平均高度进行了估计，实验精度达 到了国家二类森林调查规程的需求。
激光雷达反演树高的局限性
• 尽管LiDAR在很多森林参数反演上取得了很大的 成功，但目前这一技术的应用仍很局限，主要表 现为：
– 理论体系尚有待进一步完善、数据有限、数据分析处 理软件缺乏、费用相对其它遥感手段较高。
– 小光斑系统由于是离散采样，往往会错失树顶的采样 而低估树高，为了弥补这一点，需要加大采样密度， 降低飞行高度，导致大范围应用所需费用很高，大光 斑系统有效地避免了树顶的错失，但太大的光斑会受 到林下地形和树木空间结构的影响。
激光雷达用于森林高度反演
• 林业用激光雷达工作原理
– 激光雷达测高原理和雷达高度计相同，只是它 用的是激光，工作频段在可见光和近红外。激 光雷达以脉冲激光作为技术手段，以激光束扫 描的工作方式测量从传感器到地面上激光照射 点的距离，即通过测量地面采样点激光回波脉 冲相对于发射激光主波之间的时间延长得到传 感器到地面采样点之间的距离。